А.Г. Кушниренко НИИСИ РАН agk_@mail.ru

Суперкомпьютерные технологии на планете Земля

Пущино23.03.2015

Знаменитый фотоснимок – “pale blue dot”- вид Земли из

дальнего Космоса

Эта бледная голубая точечка – то место, где сегодня разворачиваются события вселенского масштаба: единственный Разум во Вселенной осваивает новую технологию, усиливающую его “разумность”

Игра ума ХХ века – сфера Дайсона

С развитием ИКТ-технологий Разуму станут доступны свершения галактических масштабов.

Четыре факта• На каждого жителя Земли сегодня приходится

несколько микропроцессоров• Число переключательных элементов в

микропроцессоре приближается к числу нейронов в человеческом мозге

• Число микропроцессоров в самом мощном суперкомпьютере приближается к числу живущих на Земле людей

• Компьютеры начинают превосходить человека в тех областях, которые ранее считались недоступными автоматизации

Компьютеры начинают превосходить человека (1)Компьютеры получили право водить автомобили по

улицам и дорогам трех штатов Америки (программа должна наездить с инструкторами

10 тысяч часов )

Компьютеры начинают превосходить человека (2)Суперкомпьютер Доктор Ватсон (IBM)

обыгрывает людей в игре Что-Где-Когда

Компьютеры начинают превосходить человека (3)Компьютеры могут проверять правильность

доказательства сложных теорем, и правильность конструкции сложных электронных схем

XXI век: от “цифровизации” процессов обработки информации к “цифровизации”

процессов материального производствасделать ≈ запрограммировать

XXI век: от натурных экспериментов и предсказаний с помощью формул к предсказательному моделированию на суперкомпьютерах

предсказать ≈ запрограммировать

А может ли «Доктор Ватсон» делать что-то полезное?

1. _________2. _________3. _________… … …

«Доктор Ватсон» может:

1. Лечить2. Шпионить3. Проверять оригинальность патентов4. Играть на бирже… … …

XXI век: новый научный метод. От натурных экспериментов к вычислительным

чтобы понять нужно запрограммировать

• В 2009 году для новых моделей микропроцессоров лаборатория IBM в Цюрихе изучала взаимодействие двуокиси гафния с кремнием на атомарном уровне.

• 50 моделей силикатов гафния• модель — до 600 атомов и 5 тысяч электронов• суперкомпьютер производительностью 11 тыс.

млрд. оп/сек (11 Тфлопс)• счет одной модели - 5 суток • все исследование - 250 дней (Ох! Долговато!)

XXI век: новые правила спортивных соревнований – запрещаются слишком сложные натурные и

компьютерные испытания автомобилей формулы 1

честно побеждать ≈ мало вычислять Ограничения Federation Internationale de l'Automobile (FIA) на проведение аэродинамических исследований и применений технологий вычислительной гидродинамики (CFD) на 2015 год• время работы в аэродинамической трубе < 25 часов в неделю• производительность суперкомпьютера для CFD < 25 терафлопс

Компьютерные испытания автомобилей формулы 1:BMW Syber

Суперкомпьютер ALBERT 3 команды Формулы 1 фирмы BMW

XXI век: новые правила соревнований в мировой экономике

Прогнозы Совета по Конкурентоспособности Экономики США по рынкам высокотехнологичной продукции: •«не провел суперкомпьютерное моделирование – не выйдешь на рынок»•«кто слаб в суперкомпьютерных технологиях, тот неконкурентоспособен»

Так что же такое СУПЕРкомпьютер?

Все вычисления проводит параллельно ина несколько порядков превосходит массовый персональный компьютер по- Производительности-Объему оперативной памяти-Объему долговременной памяти-СтоимостиЗанимает хорошую позицию в ТОП 500

Теоретическая и практическая производительности

суперкомпьютера• Пиковая производительность – теоретическая -

сколько операций в секунду могут произвести все сложители и умножители компьютера

• Поддерживаемая производительность – сколько (в среднем) сложений и умножений в секунду производил компьютер при решении заданной тестовой задачи

Знаменитая тестовая задача LINPACK – решение «плотной» системы N линейных уравнений с N

неизвестными – и ТОП 500

ТОП 500 – суперкомпьютерный чемпионат мира – проводится дважды в годУчаствуют только уже введенные в эксплуатацию суперкомпьютерыСравнивается поддерживаемая производительность на тесте LINPACK-NУчастнику разрешается выбрать N Пояснение: плотный – почти все коэффициенты системы ненулевые

Как выглядит система из миллиона уравнений с миллионом неизвестных

a11x1+a12x2+a13x3+a14x4 = b1

Единицы измерения производительности суперкомпьютеров в начале 21 века

• 1 Флопс – выполнение в 1 секунду 1-ой арифметической операции над 64-разрядными числами с плавающей запятой (флопс – floating point operation per second)

• Гигафлопс: 1 Гфлопс = 109 Флопс• Терафлопс: 1 Тфлопс = 1012 Флопс• Петафлопс: 1 Пфлопс = 1015 Флопс• Эксафлопс: 1 Эфлопс = 1018 Флопс• Зетафлопс: 1 Зфлопс = 1021 Флопс

Рекордсмены ТОП 500 ноябрь 2014

1. Тяньхе-2, Китай, 34 Пфлопс (Пик 55 Пфлопс) Энергопотребление 18 МВатт использует американские микропроцессоры Intel Xeon 2.2 ГГц и Intel Xeon Phi 2.Титан, США, 18 Пфлопс (Пик 27 Пфлопс) Энергопотребление 8 Мватт использует американские микропроцессоры AMD Opteron 2.2 ГГц и NVIDIA

История роста производительности суперкомпьютеров на планете Земля

Ядерное оружие и суперкомпьютеры

Первые ядерные бомбы сделали без компьютеровПервые баллистические ракеты делали с помощью компьютеровТолчок к развитию современному этапу развития суперкомпьютеров дал Договор о запрещении ядерных испытаний в трех средахCOTS – components off the shelf

Рост производительности массовых коммерческих микропроцессоров

описывается законом Мура …

Мур: «никакой экспоненциальный рост не вечен, но продолжительность периода

экспоненциального роста можно продлить»

Абсолютные физические пределы роста производительности вычислительных устройств бесконечно далеки: физики утверждают, что компьютер массой 1 кг и объемом 1 литр (теоретический лаптоп) не может проводить более 1050 логических операций в секундуТехнологические пределы роста уже почти достигнуты и определяются размерами атомов, скоростью и длиной волны света и ЦЕНОЙ ЗАВОДОВРезервы ближайших лет: 3D компоновка , новые материалы, графеновые трубки

Изготовление микросхем – проектные нормы

• 1 нанометр – 10-9 метра • Расстояние между атомами кремния в

подложке микропроцессора 0.5 нмРазмер элементов транзистора • Сегодня: 14 нм, около 30 атомов решетки• Завтра: 10 нм, около 20 атомов• Послезавтра: ?

Суперкомпьютеры эксафлопного класса

• такие компьютеры нужны• по сегодняшним методикам можно сделать

100 Петафлопс = 1/10 1 Эксафлопс, это будет сделано в 2017 году

• 1 Эксафлопс будет сделан к 2022 г. • как это будет сделано – сегодня неизвестно• 1 Пфлопс в 2025 можно будет купить на

месячную зарплату• Зетафлопсом нужно начинать заниматься

уже сегодня

Дорога человечества к Зетафлопсу (1)

Начинается с образования• Самая важная отрасль математики –

арифметика - 400 лет назад изучалась в университетах, сегодня – в первом классе и

знакомство начинается до школы • Самая важная отрасль информатики –

алгоритмика – 40 лет назад изучалась в университетах, сегодня – в первом классе и

знакомство начинается до школы

Дорога человечества к Зетафлопсу (2)

Reading, Writing, Arithmetic, and Lately, CodingMay 10th, 2014

Дорога человечества к Зетафлопсу (3)Бестекстовое программирование

виртуальных роботов

PiktoMir: teaching programming concepts to preschoolers with a new tutorial environment12 December 2011

Дорога человечества к Зетафлопсу (4)Бестекстовое программирование

реальных роботов

Дорога человечества к Зетафлопсу (5)«дойдут» только широкие специалисты

Перечень предметов, по которым должен сдать ЕГЭ школьник страны ____________,поступающий в технический университет:1.Родной зык2.Английский язык3.Информатика4.____________5.____________6.____________

Дорога человечества к Зетафлопсу (6) Лично мы идем по ней уже сегодня